Fonctionnalisation électronique par fabrication additive - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Electrical functionalisation performed by additive manufacturing

Fonctionnalisation électronique par fabrication additive

Ihssan Hendi

Résumé

At the heart of the digital transition, which is a part of one of the major social transitions of the early 21st century, electronics are accelerating its development and its integration into everyday objects.The classic printed electronics on rigid substrates (PCB, Printed Circuit Board), developed since the 1950s, are still present in todays market. Indeed, Integrated and packaged circuits are still concentrating more functions, taking advantage of Moore's law and the advent of More-than-Moore, crossing microelectronics and microsystems. Nevertheless, the transfer of components onto rigid composite substrates (FR4 epoxy-glass) suffers from poor thermal dissipation, preventing the heat dissipation from increasingly energy-dense functions. Even if the miniaturisation of packaged components and interconnection technologies have made great progress in terms of dimensions, their development in 2D planes still makes it difficult to integrate them into objects with increasingly complex shapes produced by additive manufacturing. Finally, the use of chemical products, which are harmful to health and the environment, but which are necessary for the masking and engraving steps of the interconnections, makes the process less and less acceptable in terms of sustainable development.At the same time, plastics processing has also undergone a transformation, allowing electronic functions to be accommodated thanks to the development of inks and conductive polymers implemented by screen printing or direct printing. The plastronics sector makes it possible to exploit new substrates on very large, flexible surfaces, even conformable by thermoforming in the case of stretchable inks. At this stage, we can talk about structural electronics, where the object directly carries the interconnections and electronic functions, in the same way as a PCB could do.Furthermore, the additive manufacturing of polymer materials allows access to complex shapes whose design in stacked layers (2D+Z), which makes it possible to accommodate the electronic functions in volume in cavities, or between each of the layers, in a hybrid manner or by direct printing. Beyond the intelligence of mechanical design, the topological optimisation allowed by additive manufacturing making it possible to accommodate the electronics in the optimal places on/in the object, both in terms of use (integration) and robustness (packaging).However, this approach is reserved for electrically insulating materials (plastics, ceramics). For metallic substrates, the ideal would be to have anisotropic conductive materials, which is precisely the aim of the work in this thesis.A polymer material loaded with oxidized copper particles has been identified commercially. It carries within the necessary ingredients for a possible electrical functionalization by laser activation, referred to in the literature by Kang & Al [1]. The first work therefore consisted of demonstrating the feasibility of surface activation and characterising the properties obtained. Furthermore, physico-chemical characterisations were carried out to determine the activation scenario under the laser beam. Finally, the study ended with environmental tests and the identification of ways to make the electronic functions more reliable.[1] B. Kang, S. Han, J. Kim, S. Ko, et M. Yang, « One-Step Fabrication of Copper Electrode by Laser-Induced Direct Local Reduction and Agglomeration of Copper Oxide Nanoparticle », J. Phys. Chem. C, vol. 115, no 48, p. 23664‑23670, déc. 2011, doi: 10.1021/jp205281a.
Au cœur de la transition numérique, qui fait partie d’une des grandes transitions sociétales du début du XXIème siècle, l’électronique accélère son développement et son intégration dans les objets et les usages.Classiquement, l’électronique sur substrats rigides (PCB, Printed Circuit Board), développée dans les années 1950 est encore bien présente. Les circuits intégrés et packagés concentrent davantage de fonctions, profitant de la loi de Moore et l’avènement du More-than-Moore, croisant la microélectronique et les microsystèmes. Néanmoins, le report de composants sur substrat composite rigide (FR4 époxy-verre) souffre d’une mauvaise dissipation thermique empêchant l’évacuation la chaleur de fonctions de plus en plus denses énergétiquement parlant. Même si la miniaturisation des composants packagés et les technologies d’interconnexion ont fait de grands progrès en termes de dimensions critiques, leur épanouissement dans le plan rend encore délicate leur intégration dans des objets aux formes de plus en plus complexes, poussés par les progrès de la mise en forme des matériaux et la fabrication additive. Enfin, l’emploi de produits chimiques, nocifs pour la santé et l’environnement, mais nécessaires aux étapes de masquage et de gravure des interconnexions, rend la filière de moins en moins acceptable en termes de développement durable.En parallèle, la plasturgie a également fait sa mue en permettant l’accueil de fonctions électroniques grâce au développement d’encres et de polymères conducteurs mis en œuvre par sérigraphie ou par impression directe. La filière plastronique permet d’exploiter des substrats nouveaux sur des très grandes surfaces, flexibles, voir conformables par thermoformage dans le cadre des encres étirables. A ce stade on pourra parler d’électronique structurelle, où l’objet porte directement les interconnexions et les fonctions électroniques, au même titre que pourrait le faire le PCB.Pour aller plus loin, la fabrication additive de matériaux polymères permet d’accéder à des formes complexes, dont la conception en strates empilées (2D+Z) permet d’accueillir les fonctions électroniques en volume dans des cavités, ou entre chacune des strates, de manière hybride ou par impression directe. Au-delà de l’intelligence de conception mécanique, l’optimisation topologique permise par la fabrication additive permet donc d’accueillir l’électronique aux meilleurs endroits de l’objet, à la fois en termes d’usage (intégration) et de robustesse (packaging).Cependant cette approche est réservée aux matériaux électriquement isolants (plastiques, céramiques). Pour les substrats métalliques, l’idéal serait de disposer de matériaux anisotropiquement conducteurs. C’est précisément l’objet des travaux de cette thèse d’ouverture.Un matériau polymère chargé de particules de cuivre oxydé a été identifié dans le commerce. Il porte en lui les ingrédients utiles à une éventuelle fonctionnalisation électrique par activation laser, référencée dans la littérature par Kang & Al [1]. Les premiers travaux ont donc consisté à démontrer la faisabilité de l’activation en surface et la caractérisation des propriétés obtenues. A cela s’ajoutent des caractérisations physico-chimiques permettant de remonter au scénario d’activation sous faisceau. Enfin l’étude s’est achevée par des tests environnementaux et l’identification de pistes de fiabilisation des fonctions électroniques réalisables.[1] B. Kang, S. Han, J. Kim, S. Ko, et M. Yang, « One-Step Fabrication of Copper Electrode by Laser-Induced Direct Local Reduction and Agglomeration of Copper Oxide Nanoparticle », J. Phys. Chem. C, vol. 115, no 48, p. 23664‑23670, déc. 2011, doi: 10.1021/jp205281a.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03772558 , version 1 (08-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03772558 , version 1

Citer

Ihssan Hendi. Fonctionnalisation électronique par fabrication additive. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALT033⟩. ⟨tel-03772558⟩

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